CN112924399A - 气体浓度检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了气体浓度检测装置及检测方法。该气体浓度检测装置包括：光源、可旋转滤光片组件、气室、接收管和电路处理单元，光源的光谱宽度为微米级别，可旋转滤光片组件包括多个窄带滤光片，多个窄带滤光片过滤的光的波长不完全相同，光源、可旋转滤光片组件、气室以及接收管的位置被配置为可令光源发出的光经一个窄带滤光片进入气室后射出，被接收管接收，电路处理单元与接收管电性相连。由此，该气体浓度检测装置具有以下优点的至少之一：体积小；成本低；可实现对多种气体的检测；检测周期短。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测领域，具体地，涉及气体浓度检测装置及检测方法。
背景技术
随着人们环境意识的增强，人们对环境监测的需求也越来越强烈。气体检测作为其中的一个重要组成部分，得到了迅速发展。气体检测仪可用于检测气体的成分以及浓度，可实现对环境中气体的监测。
而，目前的气体浓度检测装置及检测方法仍有待改进。
发明内容
本发明是基于发明人对于以下事实和问题的发现和认识作出的：
目前，气体浓度检测装置存在体积较大、成本较高以及气体检测种类受限的问题。发明人发现，这主要是由于目前的气体浓度检测装置的工作原理存在一定的缺陷导致的。具体的，目前的气体浓度检测装置的检测方式通常有气相色谱-氢火焰离子化法(GC-FID)、差分吸收光谱法(DOAS)以及调谐激光吸收光谱法(TDLAS)，其中，气相色谱-氢火焰离子化法在检测气体中的多个组分时，检测周期较长，且对检测装置的性能要求较高，检测装置体积较大、价格昂贵；差分吸收光谱法检测气体的种类有限，仅限于检测苯系物；调谐激光吸收光谱法气体检测单一，一种机型仅能检测一种气体。
本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种气体浓度检测装置。该气体浓度检测装置包括：光源、可旋转滤光片组件、气室、接收管以及电路处理单元，所述光源的光谱宽度为微米级别，所述可旋转滤光片组件包括多个窄带滤光片，多个所述窄带滤光片过滤的光的波长不完全相同，所述光源、所述可旋转滤光片组件、所述气室以及所述接收管的位置被配置可令所述光源发出的光经一个所述窄带滤光片进入所述气室后射出，被所述接收管接收，所述电路处理单元与所述接收管电性相连。由此，该气体浓度检测装置具有以下优点的至少之一：体积小；成本低；可实现对多种气体的检测；检测周期短。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种利用前面所述的气体浓度检测装置进行检测的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：在所述气室中通入待测气体；打开所述光源，令所述光源发出的光经所述可旋转滤光片组件中的一个所述窄带滤光片进入所述气室后射出，被所述接收管接收，利用所述电路处理单元将所述接收管接收的光信号转换成所述待测气体的浓度信息，以完成对所述待测气体浓度的检测。由此，该方法可实现对多种气体的检测，操作简便，检测周期短，且成本较低，检测装置体积较小。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例的气体浓度检测装置的结构示意图；
图2显示了多种气体的显著特征吸收谱；
图3显示了根据本发明一个实施例的气体浓度检测装置的结构示意图；
图4显示了根据本发明另一个实施例的气体浓度检测装置的结构示意图；
图5显示了根据本发明一个实施例的利用气体浓度检测装置进行检测的方法的流程示意图；
图6显示了实施例1中可旋转滤光片组件的结构示意图以及待测气体的吸光谱图；
图7显示了实施例2中可旋转滤光片组件的结构示意图以及待测气体的吸光谱图。
附图标记说明：
100：光源；200：可旋转滤光片组件；210：窄带滤光片；220：校准滤光片；300：气室；310：第一光学元件；320：第二光学元件；400：接收管；500：电路处理单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种气体浓度检测装置。根据本发明的实施例，参考图1，该气体浓度检测装置包括：光源100、可旋转滤光片组件200、气室300、接收管400以及电路处理单元500，其中，光源100的光谱宽度为微米级别，可旋转滤光片组件200包括多个窄带滤光片210，多个窄带滤光片210过滤的光的波长不完全相同，光源100、可旋转滤光片组件200、气室300、接收管400的位置被配置为可令光源100发出的光经一个窄带滤光片210后进入气室300后射出，被接收管400接收，电路处理单元500与接收管400电性相连。由此，该气体浓度检测装置具有以下优点的至少之一：体积小；成本低；可实现对多种气体的检测；检测周期短。
为了便于理解，下面首先对根据本发明实施例的气体浓度检测装置的工作原理进行简单说明：
根据本发明的实施例，该气体浓度检测装置中的光源发出的光线先经过可旋转滤光片组件中的窄带滤光片，经窄带滤光片过滤的光线射入气室中，气室中的待测气体吸收部分光线，使得光强发生衰减，剩余光线从气室射出，被接收管接收，接收管感测剩余光线的光强(即光信号)，电路处理单元将接收管感测的光信号转换成待测气体的浓度信息，从而实现对待测气体浓度的检测。
其中，光源的光谱在微米级别，即该光源为宽光谱光源，由此，该光源可以覆盖几种到几十种气体的显著特征吸收谱，可旋转滤光片组件包括多个窄带滤光片，利用窄带滤光片可有效区分峰值波长较相近的多个光线，使得经窄带滤光片过滤的光的波长与待测气体吸收光的波长相匹配，提高检测的准确性，设置多个窄带滤光片可实现对多种气体的特征光谱段的光谱照射，由此，可在小体积空间内实现对多种气体浓度的检测，也即是说，宽光谱光源与多个窄带滤光片相配合，宽光谱光源提供用于检测多种气体的光线，多个窄带滤光片分别用于透过与待测气体吸收光波长相匹配的光线，在检测不同气体时，仅需旋转可旋转滤光片组件，令与待测气体吸收光波长相匹配的窄带滤光片旋转至与光源的出光方向相对应的位置处即可，使得光源发出的光仅通过上述窄带滤光片，从而有利于实现对多种气体浓度的检测，操作简便，检测周期较短。
参考图2，图2为多种气体的显著特征吸收谱，特定组分的气体吸收特定波长的光线，由此，可利用与待测气体吸收光波长相匹配的光线对待测气体进行照射，并配合接收管以及电路处理单元实现对待测气体浓度的测量。
下面根据本发明的具体实施例，对该气体浓度检测装置的各个结构进行详细说明：
根据本发明的实施例，光源100的光谱大于0.4μm，如1-4μm。由此，该光源可以覆盖几种到几十种气体的显著特征吸收谱，提供用于检测多种气体的光线。
关于光源的具体类型不受特别限制，只要具有较宽的发射光谱即可，本领域技术人员可以根据具体情况进行设计。例如，根据本发明的实施例，光源100可以包括卤素灯或者白炽灯，或者为其他具有宽发射光谱的光源。
根据本发明的实施例，可旋转滤光片组件200中窄带滤光片210透过的光的光谱宽度可以为1-5nm。由此，可进一步有效区分峰值波长较相近的多个光线，使得经窄带滤光片过滤的光的波长与待测气体吸收光的波长相匹配，提高检测的准确性。
根据本发明的实施例，参考图1，可旋转滤光片组件200进一步包括：至少一个校准滤光片220，校准滤光片220被配置为校准滤光片220过滤的光不被待测气体吸收。发明人发现，光源的光强会影响待测气体的浓度转换系数，从而影响检测的可重复性以及一致性。本发明通过在可旋转滤光片组件中设置校准滤光片，在检测待测气体浓度之前，根据光源光强的强弱，预先利用校准滤光片对待测气体的浓度转换系数进行校准，可提高该气体浓度检测装置检测的可重复性以及一致性。校准滤光片220过滤的光不被待测气体吸收，可防止对后续检测的准确性产生不利影响。
关于可旋转滤光片组件的具体形状不受特别限制，只要可旋转滤光片组件能够与光源相配合，并实现其作用即可，本领域技术人员可以根据具体情况进行设计。例如，根据本发明的实施例，参考图1，可旋转滤光片组件200可以为圆盘状结构，光源100位于可旋转滤光片组件200远离气室300的一侧，此时，可旋转滤光片组件200中的窄带滤光片210以及校准滤光片220分别沿圆盘的中心排布。
或者，根据本发明的另一些实施例，参考图3，可旋转滤光片组件200可以为内部具有容纳空间的圆柱状结构，光源100位于可旋转滤光片组件200的容纳空间内，此时，可旋转滤光片组件200中的窄带滤光片210以及校准滤光片220分别呈柱状排布。
根据本发明的实施例，气室300用于容纳待测气体，且气室300为不透光腔室，由此，可防止外界环境光照射待测气体，进而防止外界环境光对检测结果产生干扰。根据本发明的实施例，气室300具有进光口和出光口，以便经滤光片过滤的光照射至气室中，并从气室中射出被接收管接收。
根据本发明的实施例，参考图1，气室300中具有第一光学元件310和第二光学元件320，第一光学元件310为漫反射镜片，第二光学元件320包括反射镜和棱镜的至少之一。由此，通过上述光学元件可以将气室中剩余的光线折射或者反射至接收管处，并且通过在气室中设置光学元件，可以增长光程，从而可以使气室在较小体积的情况下实现对气体浓度的检测。具体的，反射镜可以包括镜面反射镜。
根据本发明的实施例，参考图1以及图3，进入气室300中的光依次经过第二光学元件320和第一光学元件310作用后被接收管400接收。也即是说，漫反射镜片设置在光路的最末端。发明人发现，光源发出的光会在光束截面分布上随机扰动，影响照射光强的稳定性。本发明通过将第一光学元件310设置为漫反射型镜片，在光源发出的光在光束截面分布上随机扰动时，由于漫反射，整体照射光强呈现更为均一稳定的特征，可有效提高该气体浓度检测装置检测的稳定性。
根据本发明的实施例，参考图4，气室300中可以设置有多个第二光学元件320，如设置多个镜面反射镜，或者，设置多个棱镜，或者同时设置多个反射镜以及多个棱镜。发明人发现，当待测气体浓度较低时，若光程(光线传播的路程)较短，待测气体吸收光线的量较少，影响低浓度气体的检测准确度。根据本发明的实施例，针对低浓度气体，可以在气室中设置多个光学元件，以增长光程，增大待测气体吸收光线的量，提高低浓度气体的检测准确度，同时漫反射镜片设置在光路的最末端，以提高检测的稳定性。
根据本发明的实施例，接收管400为能够感测窄带滤光片310过滤的光线的元件，透过窄带滤光片310的光线进入气室200中，气室200中的待测气体吸收部分光线，剩余光线被光学元件作用至接收管400处，接收管400能够感测剩余光线的光强(光信号)，并将光信号传递至电路处理单元500，电路处理单元500将光信号转换成待测气体的浓度信息，从而实现对待测气体浓度的检测。
关于接收管的具体类型不受特别限制，本领域技术人员可以根据具体情况进行设计。例如，根据本发明的实施例，接收管400可以为PIN光电管，或者铟镓砷光电管，由此，接收管具有较高的感光性能以及较高的灵敏度，提高对光信号的感测能力。
根据本发明的实施例，电路处理单元500与接收管400电性相连，用于对接收管400接收的光信号进行处理，并将光信号转换成浓度信息，以获得待测气体的浓度。根据本发明的实施例，光线经过含有待测气体的气室300后，光线的衰减程度可以通过朗伯比尔定律确定，待测气体的直接吸光度A可表述为：
A＝x·P·S·L (1)
其中，P为气压，S为温度，L为气室光程，x为气体含量。
气体含量x与气体浓度VOL的关系为：
VOL＝k·x (2)
其中，k为气体浓度转换系数。
当气压、温度以及光程均确定时，通过关系式(1)和(2)可知，待测气体的直接吸光度A仅与待测气体的浓度VOL有关，待测气体的直接吸光度可通过入射至气室的光线强度以及接收管感测的光线强度而获得，由此，通过关系式(1)和(2)可获得待测气体的浓度值。入射至气室的光线的光强即为透过窄带滤光片的光线的光强，关于透过窄带滤光片的光线的光强可以根据光源的光强进行确定，本领域技术人员可以根据常用方法进行确定，此处不再赘述。
如前所述，该气体浓度检测装置的可旋转滤光片组件中设置有校准滤光片，对于光强扰动，可通过校准滤光片自动校准调整气体浓度转换系数k，以获得稳定可靠的多种气体的浓度值。
综上，本发明的气体浓度检测装置包括宽光谱光源、多个窄带滤光片以及校准滤光片构成的可旋转滤光片组件、设置有光学元件的气室、接收管以及电路处理单元，可检测多种气体的浓度，不受气体种类的限制，在检测不同气体时，仅需旋转可旋转滤光片组件，令与待测气体吸收光波长相匹配的窄带滤光片与光源相对应即可，操作简便，检测周期较短；在可旋转滤光片组件中设置校准滤光片，可对气体浓度转换系数进行校准，提高检测的可重复性以及一致性；气室中设置光学元件可增长光程，使得检测装置具有较小的体积，将漫反射镜片设置在光路的最末端可使该检测装置具有较高的稳定性，进一步提高检测的稳定性以及可靠性。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种利用前面描述的气体浓度检测装置进行检测的方法。根据本发明的实施例，参考图5，该方法包括：
S100：在气室中通入待测气体
根据本发明的实施例，在该步骤中，在气室中通入待测气体，以便于对待测气体进行检测。根据本发明的实施例，待测气体可以具有几种到几十种组分，利用该气体浓度检测装置可实现对上述多种气体的检测。
S200：打开光源，令光源发出的光经一个窄带滤光片进入气室后射出，被接收管接收，利用电路处理单元获得待测气体的浓度
根据本发明的实施例，在该步骤中，检测待测气体的浓度。根据本发明的实施例，检测待测气体的浓度可以是通过以下步骤实现的：打开光源，令光源发出的光经可旋转滤光片组件中的一个窄带滤光片进入气室后射出，被接收管接收，利用电路处理单元将接收管接收的光信号转换成待测气体的浓度信息，以完成对待测气体浓度的检测。由此，可实现对多种气体的检测。
根据本发明的实施例，在打开光源之前，可以预先将与待测气体吸收光波长相匹配的窄带滤光片旋转至与光源的出光方向相对应的位置处，以保证光源发出的光仅通过该窄带滤光片，在检测不同气体的浓度时，仅需旋转可旋转滤光片组件，将与待测组分吸收光波长相匹配的窄带滤光片旋转至与光源的出光方向相对应的位置处即可，操作简便，检测周期较短。
关于电路处理单元将光信号转换成气体浓度信息的原理前面已经进行了详细描述，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，气室中设置有第一光学元件以及第二光学元件，经窄带滤光片过滤后的光进入气室中，进入气室中的光线，一部分被待测气体吸收，剩余部分依次经过第二光学元件和第一光学元件作用至接收管处，被接收管接收。由此，可利用光学元件将光线传播至接收管处，并且在气室中设置多个光学元件可增长光程，有利于检测装置的小型化，并且将漫反射镜片(第一光学元件)设置在光路的最末端，可以有效提高检测的稳定性。
根据本发明的实施例，可旋转滤光片组件进一步包括：至少一个校准滤光片，且透过校准滤光片的光不被待测气体吸收，在检测待测气体的浓度之前，该方法进一步包括：打开光源，令光源发出的光经校准滤光片后进入气室中，以根据光源的光强调节待测气体的浓度转换系数。具体的，可以预先将校准滤光片旋转至与光源出光方向相对应的位置处，以保证光源发出的光仅通过该校准滤光片，根据光源发出光的强度来调整待测气体的浓度转换系数，以提高检测的可重复性以及一致性，提高检测结果的准确度。
下面通过具体的实施例对本发明的方案进行说明，需要说明的是，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1
该气体浓度检测装置包括光源、可旋转滤光片组件、气室、接收管以及电路处理单元。其中，光源的光谱宽度为2μm，可旋转滤光片组件为圆盘状，光源位于可旋转滤光片组件远离气室的一侧，可旋转滤光片组件包括7个窄带滤光片以及1个校准滤光片(参考图6中的(a))，7个窄带滤光片过滤的光的波长分别与7种待测气体的吸收光波长相匹配(参考图6中的(b))，其中，气体1为NH3，气体2为CO2，气体3为H2S，气体4为C2H2，气体5为NH4，气体6为C2H4，气体7为CH4，校准滤光片8过滤的光不被待测气体吸收，气室中的光学元件为镜面反射镜以及漫反射镜，其中，漫反射镜将光直接反射至接收管处。
在检测气体浓度之前，预先用校准滤光片8调整待测气体的浓度转换系数，以使气体的浓度转换系数与光源的光强相匹配。
在检测气体1时，将窄带滤光片1旋转至与光源出光方向相对应的位置处，令光源发出的光仅通过窄带滤光片1，透过窄带滤光片1的光进入气室中，气体1吸收部分光线，剩余光线经镜面反射镜反射至漫反射镜处，并被漫反射镜反射至接收管处，接收管感测剩余光线的光强，并将光信号传递至电路处理单元，电路处理单元将光信号转换成气体1的浓度信息，以获得气体1的浓度。
在检测气体2的浓度时，将窄带滤光片2旋转至与光源出光方向相对应的位置处，令光源发出的光仅通过窄带滤光片2，透过窄带滤光片2的光进入气室中，气体2吸收部分光线，剩余光线经镜面反射镜反射至漫反射镜处，并被漫反射镜反射至接收管处，接收管感测剩余光线的光强，并将光信号传递至电路处理单元，电路处理单元将光信号转换成气体2的浓度信息，以获得气体2的浓度。
按照上述过程依次检测气体3-气体7的浓度。
需要说明的是，图6中的(b)所示出的滤片1-滤片7分别是指窄带滤光片1-窄带滤光片7，校准片8是指校准滤光片8。
该气体浓度检测装置具有体积小、成本低、检测周期短的优点，且可以实现多种气体的检测。
实施例2
该气体浓度检测装置包括光源、可旋转滤光片组件、气室、接收管以及电路处理单元。其中，光源的光谱宽度为1μm，可旋转滤光片组件为圆柱状，光源位于可旋转滤光片组件的容纳空间内，可旋转滤光片组件包括3个窄带滤光片以及1个校准滤光片(参考图7中的(a))，3个窄带滤光片过滤的光的波长分别与3种待测气体的吸收光波长相匹配(参考图7中的(b))，其中，气体1为CO2，气体2为N2O，气体3为CO，校准滤光片4过滤的光不被待测气体吸收，气室中的光学元件为镜面反射镜以及漫反射镜，其中，漫反射镜将光直接反射至接收管处。
在检测气体浓度之前，预先用校准滤光片4调整待测气体的浓度转换系数，以使气体的浓度转换系数与光源的光强相匹配。
在检测气体1时，将窄带滤光片1旋转至与光源出光方向相对应的位置处，令光源发出的光仅通过窄带滤光片1，透过窄带滤光片1的光进入气室中，气体1吸收部分光线，剩余光线经镜面反射镜反射至漫反射镜处，并被漫反射镜反射至接收管处，接收管感测剩余光线的光强，并将光信号传递至电路处理单元，电路处理单元将光信号转换成气体1的浓度信息，以获得气体1的浓度。
按照上述过程依次检测气体2和气体3的浓度。
需要说明的是，图7中的(b)所示出的滤片1-滤片3分别是指窄带滤光片1-窄带滤光片3，校准片4是指校准滤光片4。
该气体浓度检测装置具有体积小、成本低、检测周期短的优点，且可以实现多种气体的检测。
在本发明的描述中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。另外，需要说明的是，本说明书中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (11)
1.一种气体浓度检测装置，其特征在于，包括：
光源、可旋转滤光片组件、气室、接收管以及电路处理单元，
所述光源的光谱宽度为微米级别，所述可旋转滤光片组件包括多个窄带滤光片，多个所述窄带滤光片过滤的光的波长不完全相同，
所述光源、所述可旋转滤光片组件、所述气室以及所述接收管的位置被配置可令所述光源发出的光经一个所述窄带滤光片进入所述气室后射出，被所述接收管接收，
所述电路处理单元与所述接收管电性相连。
2.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述光源的光谱大于0.4μm。
3.根据权利要求2所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述光源包括卤素灯或者白炽灯。
4.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述窄带滤光片透过的光的光谱宽度为1-5nm。
5.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述可旋转滤光片组件进一步包括：至少一个校准滤光片，所述校准滤光片被配置为所述校准滤光片过滤的光不被待测气体吸收。
6.根据权利要求5所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述可旋转滤光片组件为圆盘状结构，所述光源位于所述可旋转滤光片组件远离所述气室的一侧；
或者，所述可旋转滤光片组件为内部具有容纳空间的圆柱状结构，所述光源位于所述可旋转滤光片组件的所述容纳空间内。
7.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述气室中具有第一光学元件和第二光学元件，所述第一光学元件为漫反射镜片，所述第二光学元件包括反射镜和棱镜的至少之一。
8.根据权利要求7所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述气室中具有多个所述第二光学元件。
9.根据权利要求7或8所述的气体浓度检测装置，其特征在于，进入所述气室中的光依次经所述第二光学元件和所述第一光学元件作用后被所述接收管接收。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的气体浓度检测装置进行检测的方法，其特征在于，包括：
在所述气室中通入待测气体；
打开所述光源，令所述光源发出的光经所述可旋转滤光片组件中的一个所述窄带滤光片进入所述气室后射出，被所述接收管接收，利用所述电路处理单元将所述接收管接收的光信号转换成所述待测气体的浓度信息，以完成对所述待测气体浓度的检测。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述可旋转滤光片组件进一步包括：至少一个校准滤光片，所述校准滤光片被配置为所述校准滤光片过滤的光不被所述待测气体吸收，在检测所述待测气体的浓度之前，所述方法进一步包括：
打开所述光源，令所述光源发出的光经所述校准滤光片后进入所述气室中，以根据所述光源的光强调节所述待测气体的浓度转换系数。
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